Imagine construir uma cidade com apenas dois tipos de edifícios:casas vermelhas e escritórios verdes. Você espalha os edifícios uniformemente, alternando vermelho e verde. Agora, imagine essa mesma cidade com bairros e distritos comerciais. O mapa 3-D teria áreas distintas em vermelho e verde. A Dra. Xiao-Ying Yu do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do DOE e seus colegas acabaram com um mapa semelhante quando investigaram um solvente popular, conhecido como líquido iônico comutável, ou SWIL. A equipe desenhou o primeiro mapa químico de um SWIL.

"Vimos algo que ninguém tinha visto antes - química que ninguém tinha visto antes, "disse Yu, o químico PNNL que liderou a equipe.

Esses líquidos comutáveis ​​capturam dióxido de carbono, servem como modelos para minúsculas partículas de design e extraem produtos químicos desejáveis ​​da biomassa. SWILs são mais fáceis de controlar e produzem menos resíduos do que as técnicas convencionais. Contudo, os cientistas não sabiam exatamente o que acontecia dentro do líquido. A pesquisa da equipe oferece um mapa detalhado de como funcionam os SWILs. O estudo oferece aos cientistas insights para controlar melhor os SWILs existentes e projetar novos, líquidos mais eficazes para a separação verde. Além disso, SWILs também podem servir como modelos flexíveis para a criação de estruturas extremamente pequenas.

"Isso nos dá uma compreensão mais profunda do que os solventes estão fazendo e como se comportam, "disse o Dr. David Heldebrant, um cientista do PNNL estudando a química do dióxido de carbono.

Usado para capturar dióxido de carbono, sintetizar nanopartículas e ajudar a transformar biomassa em biocombustíveis, SWILs são um solvente popular. Tristemente, esses líquidos são difíceis de controlar e melhorar. Porque? O funcionamento interno dos líquidos era um mistério. Embora muitos pensassem que SWILs eram homogêneos quando estavam completamente carregados com dióxido de carbono, a equipe não estava convencida. Trabalhando com teóricos no PNNL, Yu e seus colegas examinaram simulações e cálculos computacionais que mostraram regiões distintas nos SWILs, mesmo quando a química dizia que deveria ser homogêneo.

A equipe adotou uma abordagem dupla para traçar um mapa químico 3-D de um SWIL. Um envolveu a análise do líquido usando instrumentos como um espectrômetro de massa de íons secundários de tempo de voo (SIMS) no EMSL do DOE, uma facilidade do usuário científico. “Somos um dos poucos grupos que podem fazer análises SIMS de líquidos e interfaces de líquidos, "disse Yu." A maioria dos lugares tem que secar a amostra ou usar outras abordagens em massa. Nós não. "

Yu, juntamente com Juan Yao e o Dr. Zihua Zhu, analisaram os dados do espectrômetro de massa com percepções de seus colegas de síntese.

Eles também conduziram uma série de experimentos que combinaram a premiada tecnologia SALVI. SALVI, ou Sistema para Análise na Interface de Vácuo Líquido, permite instrumentos de imagem que requerem colocar a amostra de líquido iônico sensível ao ar sob um vácuo para estudar a reação dos líquidos em tempo real e em um ambiente realista. SALVI, pequeno o suficiente para caber na palma da mão, requer apenas duas gotas de um líquido. A equipe usou SALVI com uma linha de luz de fótons dinâmica química na fonte de luz avançada do DOE, outra facilidade de uso científico. Eles encontraram evidências de suporte dos componentes SWIL, complementando as observações do SIMS.

Ao analisar os resultados das duas abordagens e do estudo teórico anterior, a equipe criou um mapa 3-D para o fluido. "Esta pesquisa abriu as comportas, "disse o Dr. Satish K. Nune, um químico PNNL que trabalhou no estudo. "Deu a muitas pessoas novas ideias sobre a química SWIL."

No PNNL, A pesquisa SWIL continua a produzir novos insights. Yu está liderando o trabalho no uso de SWILs como um sistema modelo para examinar a estrutura do solvente via SALVI em fontes de luz DOE. Heldebrant está estudando como manipular estruturas SWIL para capturar dióxido de carbono de forma eficiente. Nune está liderando esforços no uso de SWILs para coletar água do ar usando menos energia.